金川二矿区1#矿体上盘贫矿开采对14行回风井的稳定性影响研究

汪小平 寇永渊 郭赟林 康陇平 王 鑫 马苏龙

（金川集团股份有限公司二矿区，甘肃 金昌 737100）

竖井工程的稳定性对于地下矿山的生产意义重大［1-2］。由于大多数竖井工程受不良地质条件作用及采矿岩移的影响，在服役过程中不可避免地会发生不同程度的变形破坏甚至垮塌，严重威胁矿山安全生产。金川二矿区地质条件非常复杂，大多数竖井井筒在投入使用后都发生了一定程度的变形破坏，对矿区生产造成严重影响。由于前期富矿开采破坏了原岩应力状态，使得贫矿体自身的应力场环境更为复杂，从而使1 250 m水平以上贫矿开采面临更大困难；后期贫矿开采将会扩大采空区范围，对采场围岩和上覆岩层产生二次扰动，必然会加剧对14行主回风井等主要构筑物的影响。因此，在贫矿体开采时一方面要充分考虑贫矿开采自身的安全性问题，同时还要考虑贫矿开采对矿区竖井稳定性的影响。

由于竖井工程自身的特殊性，目前数值模拟计算是地下工程结构稳定性分析中比较常用的理论分析方法。孙强等［3］利用有限元软件模拟竖井的开挖过程，分析了复杂地质条件下竖井开挖的稳定性，并优化了加固参数；魏秀泉等［4］通过数值模拟手段预测了井筒变形的区域；陈祥福等［5］采用数值模拟方法对井壁破坏时的应力应变情况以及塑性区的范围、破裂形态、破裂时间等相关问题进行了系统研究；周舒威等［6］利用大型有限元软件，系统分析了二维、三维建模情况下数值模拟结果存在的误差；陈勋等［7］通过模拟矿山动态开采过程，得到深部矿体开采后竖井井筒围岩位移变形规律、应力分布特征和塑性区分布特征。此外部分学者还通过工程地质调查、地表变形监测以及井筒位移测量等多种手段，对井筒的稳定性进行分析。孙闯等［8］结合工程地质调查及数值模拟手段，对煤矿深部竖井井壁变形破坏机制进行分析研究，并对竖井井筒支护系统的稳定性进行评价分析。吕显州等［9］建立智能监测系统实现了立井井壁的实时动态监控，掌握了井筒的变形规律，并通过理论模型预测了井壁的破坏时间和部位。

基于上述关于竖井井筒稳定性的研究，本文采用数值模拟试验与现场变形监测相结合的方法，有针对性地研究了1 250 m以上贫矿开采对竖井稳定性的影响，通过与现场监测结果对比分析，验证了数值模拟过程的可靠性，为后续贫矿开采提供了有力理论基础。

1 工程地质概况

金川二矿区1#矿体矿脉深千余米，其中，富矿（SN-A1）长1 300 m，平均宽度69 m，倾向SW230°，倾角60°～75°。顶部主要为贫矿石，中、深部主要为富矿型矿石，富矿的周围、顶部或一侧是贫矿，如图1所示。二矿区1#矿体在一期开采时采取“采富保贫”的方针，对1 100 m水平以上的上盘贫矿进行了保留。

14行回风井井深717 m（+1 717～+1 000 m），井筒净直径6.5 m，设计总回风量420 m3/s，于2000年12月25日建成使用。二矿区采用两翼进风、中央集中回风的通风模式，14行主回风井作为井下生产污风的唯一通道，其稳定性对于保证二矿区的安全生产至关重要，由于长期受采矿岩移影响以及不良地质条件的作用，发生了不同程度的变形破坏，对矿山的正常生产造成了严重威胁。14行回风井井筒围岩的岩体结构分布及稳定性分级如表1所示。

二矿区14行回风井安全稳定性问题成为可持续生产的关键，根据所圈定的1 250 m水平以上贫矿开采的岩体移动和塌落区范围，如图2所示。

2 开采过程对竖井变形的机理探究

2.1 影响竖井围岩稳定性的因素

竖井围岩变形的因素大致可分为地质因素和非地质因素。地质因素是影响围岩变形和稳定的基本的决定性因素，主要包括围岩的岩性、结构、应力条件以及地下水的状态等；非地质因素是通过地质因素的作用而起作用的，主要包括井筒规格、支护措施、回采及掘进过程等，具体影响因素如表2所示。

2.2 采动影响下竖井破坏机理

竖井开挖过程中围岩将首先被破坏，并逐渐向深部扩展，直至在一定深度取得新的应力平衡为止，此时围岩已过渡到破碎状态，形成松动圈，而松动圈以外是塑性极限平衡区及弹性区［10］，如图3所示。竖井的变形破坏是由围岩破坏引起的，围岩的稳定性与松动圈密切相关，而松动圈的特征又与岩石强度、应力分布等情况密切相关。

金川二矿区矿体为急倾斜矿体，因此可用开采倾斜矿体的应力及位移分布规律分析井壁破坏的原因。当采矿受到开采扰动后，原岩应力进行重分布，在拉应力的作用下，围岩的内聚力将减小并发生松动变形。从图4中发现，沿矿体倾斜方向的拉应力分布区与14行回风井相交，相交区域拉应力相对集中，说明距离井口90～255 m处的井壁段容易出现变形破坏。此外，由于14行回风井井筒穿过F207断层及其影响带，该段水文工程条件极差，是井壁未来发生变形破坏的潜在重大风险，因此在后期贫矿开采过程中，必须重点关注该段井筒的变形情况。

3 贫矿开采对14行回风井影响的数值模拟分析

3.1 模型破坏准则

金川矿区矿岩节理裂隙十分发育，但在深部高应力环境中，围岩和矿体的结构效应不太显著，在数值模型建立的过程中仍可将其视为各向同性的弹性连续介质；此外，充填体作为人工材料，虽然存在一定程度的离析分层，但其物理力学性能更加接近于均质体，可视为弹塑性连续介质进行计算，计算中各种材料均采用莫尔-库仑本构模型。

3.2 主要岩体参数的选取

矿区范围内主要的岩石试样类型包括二辉橄榄岩、橄榄辉石岩、贫矿、富矿、特富矿、大理岩和混合岩等，其岩体力学参数推荐值如表3所示。

3.3 模拟开采方案及计算结果

根据矿区的开采建设情况，首先开展前期的富矿开采数值模拟，直至与当前的开采实际情况相一致，再将模拟计算结果与实际监测的结果做对比分析，论证模型的可靠性。在本次模拟时仅考虑开挖和充填，简化开采顺序，按照矿山实际开采状况长远规划共分为6步，具体开采区段、充填步骤和开采时间如表4所示。

根据二矿区的实际开采过程，即+1 350～+1 250 m富矿开采结束后，14行回风井的三维模型如图5所示。

为讨论1#矿体上盘贫矿开采对14行回风井的影响，在贫矿开采前，对竖井模型体进行状态清零操作，再进行+1 250 m以上贫矿的开采、充填模拟计算，计算所得结果如图6所示。根据金川矿区最近研究成果，二矿区最大主应力为水平构造应力，最大主应力方向为北北东向，与矿体走向垂直，收敛采用自动控制时间步来求解模型，直到最大不平衡力精度为1×10-5为止。

图6（a）是+1 250 m贫矿开挖、充填后井筒剖面X轴方向位移云图，由图中可看出，井筒最大水平位移值出现在+1 300～+1 400 m之间，最大累积变形值约1 m，变形由中间向两侧逐渐减小。图6（b）是+1 250 m贫矿开挖、充填后井筒剖面Y轴方向位移云图，由图中可看出，井筒最大水平位移值出现在+1 300～+1 400 m水平之间，累积最大变形值约1.2 m，变形量呈现中间大两侧小的特点，变形值的分布规律与X轴方向变形相似，但影响范围更大。图6（c）是+1 250 m贫矿开挖、充填后井筒剖面竖直方向上的位移云图，由图中可看出，竖井的上半部分发生沉降，而下半部分发生隆起，变形方向指向矿体开挖方向。最大沉降值出现在+1 500 m附近，累积最大变形值约0.33 m，最大隆起值出现在竖井底部，即+1 000 m附近，累积最大变形值约0.27 m。竖井发生竖直方向变形的范围更大，+1 000～+1 650 m之间的竖井均发生了不同程度的变形；图6（d）是+1 250 m贫矿开挖、充填后井筒剖面上的应力云图，由图中可看出，井壁应力在+1 400 m以上表现为拉应力，最大拉应力约15.6 MPa；而在+1 400 m以下表现为压应力，最大的压应力达到了28 MPa。

对上述数值计算结果进行分析，可以看出14行回风井井筒可能在以下几个位置发生变形破坏：①+1 500～+1 600 m范围内，特别是在+1 510～+1 590 m段，该区产生了较大的拉应力，井筒可能出现拉裂破坏；②+1 300～+1 400 m段，特别是在+1 335～+1 345 m段，井筒受采动影响程度增大，变形将更加明显，从而加速该段围岩冒落和井壁变形破坏。

4 14行回风井地表现场监测结果

通过对14行回风井地表位置进行长期的跟踪观察，其监测点的变形曲线如图7所示。

由图7分析可知，14行回风井附近地表变形每半年的沉降量在23～40 mm之间，水平位移量在9～27 mm之间，三维位移量在26～44 mm之间。自2012—2014年，沉降量和三维位移略呈增加的趋势，水平位移速率基本稳定；2015年后沉降速率有减缓趋势，但是在2015年后，水平位移速率有所增加，按半年累积位移量变化曲线呈近直线，累计变形仍在持续稳定发展。

如图8所示，通过对14行回风井井筒的现场调查，发现其变形破坏主要有以下几种形式：

（1）井壁开裂错动。14行回风井井壁主要有横向裂隙、竖向裂隙和交叉倾斜裂隙，其中以竖向裂隙及倾斜裂隙为主。井壁出现裂隙的原因主要有：①较高的水平应力集中；②采动引起的拉应力集中；③岩体沿软弱层面的滑动。

（2）片帮冒落。井壁围岩的片帮冒落较为常见，大部分表现为井壁脱皮、掉块，少数则可能出现井壁离层，与围岩之间形成空腔，这类变形破坏将很有可能演变为大型冒落事故。

将1#矿体上盘贫矿回采过程的数值模拟结果与监测结果对比，发现14行回风井井筒的主要变形破坏区域和形式与实际情况比较一致，说明数值模拟分析结果具有较高的可靠性。

5 结 论

（1）+1 250 m以上贫矿开采、充填后，井筒剖面向采区方向移动，X、Y方向最大水平位移均出现在+1 300～+1 400 m之间，X、Y方向累积最大变形分别约1 m和1.2 m，变形由中间向两侧逐渐减小。整体上井筒剖面上半部分发生沉降，而下半部分发生隆起，最大沉降、隆起值分别为0.33 m和0.27 m。

（2）14行回风井附近地表每半年的沉降量在23～40 mm之间，水平位移量在9～27 mm之间，三维位移量在26～44 mm之间。按半年累积位移量变化曲线呈近直线，变形仍在持续稳定发展。

（3）14行回风井的变形破坏主要表现为井壁开裂错动、片冒破坏2种形式。